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未来电动汽车的电池技术竞争

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电池是二十一世纪的油桶
在过去的十年里，电池行业取得了足够的进步，使消费电子产品、移动互联网、电动汽车以及电网侧储能得到逐步普及。鉴于电池储能在应对气候变化方面的作用越来越大，它将在未来十年内成为世界上最重要的行业之一。
会有足够的电池吗？
随着全球各国政府认真对待脱碳，对廉价、安全、高性能、耐用和低碳电池的需求将飙升，尤其是汽车行业。
因此，供应链瓶颈将在未来十年内出现。缺乏低成本、易于净化的原材料来供应世界上现有和计划中的电池工厂，这是对供应链安全的最大威胁。此外，关键矿山投资的下降——加上环境、社会和治理（ESG）因素日益重要——将限制新能力的发展。
由于电动汽车（EV）需求急剧增加以及开采和精炼电池金属的短缺，到2025年，全球可能会出现严重但暂时的电池短缺。然而，该行业正在进行大量投资，通过减少稀缺材料的使用，开发新材料和电池技术，最重要的是，创建一个全球电池回收行业，来防止这种情况成为持续的威胁。
与此同时，中国对整个全球供应链的控制，从矿山和炼冶厂到组件和电芯生产商，是一个日益严重的地缘政治问题。美国和欧洲正在采取重大措施，到2030年减少电池供应链中对中国的依赖。电池回收既关于地缘政治，也关于环境可持续性。循环电池经济将对能源转型至关重要，随着电动汽车数量和报废量的急剧上升，国家（和公司）必须开发国内回收。
化学-一些基本原则
电池技术涵盖许多化学、不同的电池类型和替代技术。
电池是由一个或多个电化学电池组成的容器，其中化学能被转化为电能。它们被用作能源的来源。电池是许多其他技术的关键促进者。它们是现代移动生活方式和电动汽车（EV）大规模生产不可或缺的一部分。电池和储能技术将是向可再生能源过渡的基础。
电池有两种类型：初级电池和二级电池。
  • 初级电池通过不可逆的化学反应产生电流，被称为一次性电池。
  • 次级电池通过可逆化学反应产生这种电流。这些通常被称为可充电电池或存储电池。
燃料电池是另一种能源，但它不是电池。电池使用里面已有的化学物质来创造能量。相比之下，燃料电池使用连续的外部燃料供应流经它作为发电化学品的来源。燃料电池已用于无人空间探测器、汽车和备用应急电源。然而，所使用的燃料（通常是氢气）被认为对日常使用来说太危险了。
电池将化学能转化为电能
电池储存化学能，并通过电化学反应将其转化为电能。它们由三个主要成分组成：正极（阴极）、负极（阳极）和电解质。这两个电极由不同的材料制成。电极由分离器相互分离，分离器对某些化学物质具有半渗透性。
当电池连接到电路时，会发生电化学反应。电子从阳极流过导线，为连接的设备供电，并流向阴极。
每个电池都含有数量有限的活性材料。最终，电池内的电化学过程将停止向负极供应电子，电将停止流动。出于这个原因，电池的可用功率是有限的。
充电
二次电池可以使用外部电源充电，如太阳能电池板、风力涡轮机、汽车制动器或主电源。在充电过程中，电化学反应发生反向，使细胞及其组件恢复到接近其原始状态。然而，电池硬化和树突形成等现象会阻止电池无限次充电。树突会导致危险的短路，尽管正在开发陶瓷分离器来帮助缓解这个问题。
锂离子（Li-ion）是连接设备（如笔记本电脑和智能手机）、电动汽车（EV）和家庭可再生能源存储的主要电池技术。在所有这些用例中，安全至关重要。锂离子在这些领域获胜是因为它的安全性。随着对寿命更长、寿命更长的更小、更强大的电池的需求不断增长，研究人员正在积极尝试解决短路和过热问题，这可能会导致危险的火灾和爆炸。
锂离子电池在给定重量（能量密度）中储存更多能量
与铅酸或镍氢基电池相比，锂离子电池可以在给定的重量和体积下存储更多的能量，并允许更快地充电和放电。这些特性使它们成为电动汽车储能的理想选择，在轻质包装中，高能量密度是必不可少的。
磷酸铁锂（LFP）电池是当今便携式电子产品中使用的另一种电池类型。LFP的能量密度低于三元锂离子电池，因此后者是耗电的电子产品的典型首选，这些电子产品以高速率消耗电池。然而，LFP可以承受高温，降解最小，并且适合在充电前需要长时间运行的物体。此外，LFP电池通常比三元锂离子电池具有更长的生命周期。也就是说，他们可以多次充电和放电。可以说，与锂离子电池相比，LFP的最大优势之一是安全性。热和化学稳定性的提高意味着LFP在高温下保持凉爽，如果在快速充电或放电或短路期间处理不当，则不可燃（不着火）。
先进的电池化学品也正在开发中，这些化学品可能比商用电池具有优势。
性能优势包括重量更轻、能量密度更高、温宽更广、生命周期延长和安全性提高。例如，如果暴露在外部空气中，例如在电池结构崩溃或故障期间，锂离子电池中的液体电解质会变得非常挥发。锂电池火灾特别剧烈，难以扑灭，通常需要完全浸泡在水中几天才能完全惰性。没有证据表明电动汽车火灾的发生频率高于燃烧车辆火灾——事实上，它们在统计学上甚至可能更小。
然而，电动汽车制造商仍然必须向公众保证他们的车辆是安全的。三星灾难性地推出了Galaxy Note 7，这款智能手机受到锂离子电池火灾的困扰，将这种电池化学反应的潜在危险推向了公众视野——电动汽车制造商不想重蹈覆辙。
固态电池是下一个最可行的选择
固态电池通常使用与传统电池相同的锂离子化学反应来存储和放电能。区别在于用于分离负极和正极的电解质。传统电池使用液基电解质——通常是悬浮在有机溶剂中的锂盐——而固态电池将其换成晶圆薄的固体电解质，通常由陶瓷、聚合物或玻璃制成。
去除液体电解质会带来许多潜在的好处。固态电池比液基电池更轻、更紧凑，这意味着可以减少包装重量，或增加能量容量。它们应该更能抵抗锂晶岩的形成，这将提高功率放电性能，提高潜在的充电速度，同时延长电池组的使用寿命。此外，一旦实现大规模制造，由于去除工业溶剂，它们应该比传统的锂离子电池更容易、更快地制造。
固态电池在电池安全领域提供了更明显的好处。锂离子电池有缺陷或损坏引起的火灾已被广泛宣传（例如雪佛兰Bolt及其LG源电池）。在许多情况下，发生这些火灾是因为内部故障或外部损坏导致挥发性锂电解质暴露在外部空气中，导致其点燃并引发连锁反应，从而破坏整个电池组。固体电解质完全避开了这些问题，即使它们被刺穿或撞击，也具有很高的防火和防爆性。
虽然它们提供了许多理论上的好处，但还没有一家公司证明有能力为轻型车辆大规模制造固态电池，大多数仍处于测试阶段。仍然有一些问题需要解决，包括设计固体电解质和电极，使其在整个表面均匀地界面，因为任何翘曲都可能产生限制电池效率的间隙。此外，材料稳定性已被证明是一个问题，电解质的脆性导致微观断裂，限制了电芯的性能。
法国Bolloré的子公司Blue Solutions赢得了为戴姆勒的eCitaro G铰接式城市巴士提供固态电池的合同——这是该技术的第一个有记录的商业供应协议。然而，可选的固态包装需要被故意加热到50C和80C之间的相对较高的工作温度——在此过程中会破坏一些范围，并使其不适合在轻型车辆上使用，其使用模式不可预测。
燃料电池（氢）-长期赌注
燃料电池电动汽车（FCEV）通过燃料电池膜氧化燃料（通常是氢气）来产生动力，唯一的排放物是水。这种电力可以直接发送到电动机或存储在单独的电池中以供以后使用。FCEV可以通过在油箱中重新填充氢气来快速“加油”，类似于燃烧车辆，从而消除了BEV所需的漫长充电期。对氢气的推动也部分取决于其作为循环能源经济一部分的潜在作用。在这里，可再生风能或水力发电用于从海水中裂解氢气。然后，氢气作为这些来源产生的非峰值能源的储存。
虽然FCEV有很多潜在的好处，但该技术在与BEV竞争之前需要改进。生产氢气的成本目前高于生产汽油的成本，这使得补充成本昂贵。此外，支持FCEV的基础设施尚未建设，而EV充电网络已经迅速增长。
FCEV可能对重型和商用车最有价值。电池很重，所以不太适合远程卡车，因为所需的电池重量会消耗太多的潜在承载能力。远程卡车可预测的路线也需要更少的氢气加油站才能有效服务。
本质上，FCEV在行业中被视为长期运输的可能方向——它们最初最有可能在重型商用车上以及闭环充电站网络中应用。

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